計(jì)算機(jī)組成原理課后答案(第二版)_唐朔飛_第七章.ppt

1、指 令 系 統(tǒng),第 七 章,6. 某指令系統(tǒng)字長(zhǎng)為16位，地址碼取4位，試提出一種方案，使該指令系統(tǒng)有8條三地址指令、16條二地址指令、100條一地址指令。 解：三地址指令格式如下： 4 4 4 4,解題思路：以三地址指令格式為該指令系統(tǒng)的基本格式。以此格式為基礎(chǔ)，采用擴(kuò)展操作碼技術(shù)，設(shè)計(jì)出題意所要求的地址碼結(jié)構(gòu)的指令。 指令操作碼分配方案如下：,4位OP0000， A1，A2，A3；8條三地址指令0111，1000，0000， A2，A3；16條二地址指令1000，1111，1001，0000，0000， A3；100條一地址指令1001，0110，0011，1001，0110，0100，

2、冗余編碼1001，1111，1111， 可用來(lái)擴(kuò)充一、零地址指令條數(shù)1010， 冗余編碼1111， 可用來(lái)擴(kuò)充三、二、一、零地址指令條數(shù),指令操作碼分配方案,7. 設(shè)指令字長(zhǎng)為16位，采用擴(kuò)展操作碼技術(shù)，每個(gè)操作數(shù)的地址為6位。如果定義了13條二地址指令，試問(wèn)還可安排多少條一地址指令？ 解：二地址指令格式如下： 4 6 6,設(shè)二地址指令格式為該指令系統(tǒng)的基本格式，4位操作碼共有16種編碼，其中13種用來(lái)定義二地址指令，還剩3種可用作擴(kuò)展標(biāo)志。如不考慮零地址指令，該指令系統(tǒng)最多還能安排： 一地址指令條數(shù) =326 =192條,8. 某機(jī)指令字長(zhǎng)16位，每個(gè)操作數(shù)的地址碼為6位，設(shè)操作碼長(zhǎng)度固定，

3、指令分為零地址、一地址和二地址三種格式。若零地址指令有M種，一地址指令有N種，則二地址指令最多有幾種？若操作碼位數(shù)可變，則二地址指令最多允許有幾種？ 解：1）若采用定長(zhǎng)操作碼時(shí)，二地址指令格式如下： 4 6 6,此時(shí)，無(wú)論指令中有幾個(gè)地址，指令格式都不變。,設(shè)二地址指令有K種，則： K=24-M-N 當(dāng)M=1（最小值），N=1（最小值）時(shí)，二地址指令最多有： Kmax=16-1-1=14種 2）若采用變長(zhǎng)操作碼時(shí)，二地址指令格式仍如1）所示，但操作碼長(zhǎng)度可隨地址碼的個(gè)數(shù)而變。此時(shí)， K= 24 -（N/26 + M/212 ）； （N/26 + M/212 向上取整） 當(dāng)（N/26 + M/2

4、12 ） 1時(shí)，K最大，則二地址指令最多有： Kmax=16-1=15種（只留一種編碼作擴(kuò)展標(biāo)志用。）,討論：此時(shí)，一地址指令條數(shù)為： N=（24 - K）26 - M/26； （ M/26向上取整）。 零地址指令條數(shù)為： M = 216 - 212K - 26N； 當(dāng)K最大時(shí)（K=15），一地址指令最多有： Nmax=64 - 1=63種； 零地址指令最多有： Mmax=64種 注意：應(yīng)首先根據(jù)題意畫出指令基本格式。,10. 試比較基址尋址和變址尋址。 解：比較如下： 1）都可有效地?cái)U(kuò)大指令尋址范圍。 2）基址尋址時(shí)，基準(zhǔn)地址由基址寄存器給出，地址的改變反映在位移量A的取值上；變址尋址時(shí)，基

5、準(zhǔn)地址由A給出，地址的改變反映在變址值的自動(dòng)修改上，變址值由變址寄存器給出。 3）基址寄存器內(nèi)容通常由系統(tǒng)程序設(shè)定，變址寄存器內(nèi)容通常由用戶設(shè)定。 4）基址尋址適用于程序的動(dòng)態(tài)重定位，變址尋址適用于數(shù)組或字符串處理，適用場(chǎng)合不同。,11. 畫出先變址再間址及先間址再變址的尋址過(guò)程示意圖。 解：1）先變址再間址尋址過(guò)程簡(jiǎn)單示意如下： EA=(IX)+A， (IX)+1IX,IX,+1,IR,主存,IX：變址寄存器， 既可是專用寄存器， 也可是通用寄存器之一。,設(shè)一重間接,2）先間址再變址尋址過(guò)程簡(jiǎn)單示意如下： EA=(IX)+(A)， (IX)+1IX,IX,+1,IR,EA,操作數(shù),主存,IX

6、：變址寄存器， 既可是專用寄存器， 也可是通用寄存器之一。,設(shè)一重間接,注意： 1）英文縮寫EA表示有效地址，不能亂用。 2）示意圖中應(yīng)標(biāo)明EA（有效地址）的位置。,12. 畫出“SUB R1”指令對(duì)操作數(shù)的尋址及減法過(guò)程的流程圖。設(shè)被減數(shù)和結(jié)果存于ACC中，表示間接尋址，R1寄存器的內(nèi)容為2074H。 解： SUB R1指令尋址及減法過(guò)程的流程圖：,取指令（?。?尋址操作： 寄存器間址 EA=(R1) =2074H,EA MAR，讀,M(EA) MDR,(ACC)-(MDR) ACC,A,A,（公操作）,注：在沒(méi)有指定數(shù)據(jù)通路的情況下，此流程只是一個(gè)粗略的示意。,13. 畫出執(zhí)行“ADD *

7、-5”指令（*為相對(duì)尋址特征）的信息流程圖。設(shè)另一個(gè)操作數(shù)和結(jié)果存于ACC中，并假設(shè)（PC）=4000H。 解：由于本題未指定數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)，因此只能大概地排一下信息流程圖，并且流程圖中突出尋址過(guò)程的實(shí)現(xiàn)。 ADD *-5指令信息流程圖如下：,取指令（?。?尋址計(jì)算： EA=(PC)-5 =4000H+FFFBH =3FFBH,EA MAR，讀,M(EA) MDR,(ACC)+(MDR) ACC,A,A,（公操作）,14. 設(shè)相對(duì)尋址的轉(zhuǎn)移指令占兩個(gè)字節(jié)，第一個(gè)字節(jié)是操作碼，第二個(gè)字節(jié)是相對(duì)位移量，用補(bǔ)碼表示。假設(shè)當(dāng)前轉(zhuǎn)移指令第一字節(jié)所在的地址為2000H，且CPU每取出一個(gè)字節(jié)便自動(dòng)完成（PC

8、）+1PC的操作。試問(wèn)當(dāng)執(zhí)行“JMP *+8”和“JMP *-9”指令時(shí)，轉(zhuǎn)移指令第二字節(jié)的內(nèi)容各為多少？ 解：據(jù)題意，相對(duì)尋址的轉(zhuǎn)移指令格式如下：,2000H 2001H 2002H,當(dāng)執(zhí)行JMP指令時(shí)，指令第二字節(jié)的內(nèi)容不變，PC的內(nèi)容變?yōu)?002H。此時(shí)轉(zhuǎn)移指令第二字節(jié)內(nèi)容各為： A1= +8 = 0000 1000 = 08H A2= -9 = 1111 0111 = F7H 其有效地址各為： EA1= (PC) +8 = 2002H+0008H = 200AH EA2= (PC) 9 =2002H+FFF7H = 1FF9H,16. 某機(jī)主存容量為4M16位，且存儲(chǔ)字長(zhǎng)等于指令字長(zhǎng)，

9、若該機(jī)指令系統(tǒng)可完成108種操作，操作碼位數(shù)固定，且具有直接、間接、變址、基址、相對(duì)、立即等六種尋址方式，試回答以下問(wèn)題。 （1）畫出一地址指令格式并指出各字段的作用。 （2）該指令直接尋址的最大范圍。 （3）一次間接尋址和多次間接尋址的尋址范圍。 （4）立即數(shù)的范圍（十進(jìn)制表示）。,（5）相對(duì)尋址的位移量（十進(jìn)制表示）。 （6）上述六種尋址方式的指令中哪一種執(zhí)行時(shí)間最短，哪一種最長(zhǎng)，為什么？哪一種便于程序浮動(dòng)，哪一種最適合處理數(shù)組問(wèn)題？ （7）如何修改指令格式，使指令的尋址范圍可擴(kuò)大到4M？ （8）為使一條轉(zhuǎn)移指令能轉(zhuǎn)移到主存的任一位置，可采取什么措施？簡(jiǎn)要說(shuō)明之。,解： （1）單字長(zhǎng)一地址

10、指令格式： 7 3 6,OP M A,各字段的作用： OP操作碼字段，提供至少108種指令操作碼； M尋址方式碼字段，指出6種尋址方式； A形式地址字段，給出尋址所需的形式地址。,（2）A為6位，該指令直接尋址的最大范圍為26=64字； （3）一次間址的尋址范圍為216=64K字； 多次間址的尋址范圍為215=32K字； （4）立即數(shù)的范圍：若采用補(bǔ)碼表示為1FH20H；十進(jìn)制表示為31 -32；無(wú)符號(hào)數(shù)為063； （5）相對(duì)尋址的位移量范圍在采用補(bǔ)碼表示時(shí)同立即數(shù)范圍，為31 -32；,（6）六種尋址方式中，立即尋址指令執(zhí)行時(shí)間最短，因?yàn)榇藭r(shí)不需尋址； 間接尋址指令執(zhí)行時(shí)間最長(zhǎng)，因?yàn)閷ぶ凡僮?/p>

11、需訪存一次到多次； 相對(duì)尋址便于程序浮動(dòng)，因?yàn)榇藭r(shí)操作數(shù)位置可隨程序存儲(chǔ)區(qū)的變動(dòng)而改變，總是相對(duì)于程序一段距離； 變址尋址最適合處理數(shù)組問(wèn)題，因?yàn)榇藭r(shí)變址值可自動(dòng)修改而不需要修改程序。,（7）為使指令尋址范圍可擴(kuò)大到4M，需要有效地址22位，此時(shí)可將單字長(zhǎng)一地址指令的格式改為雙字長(zhǎng)，如下圖示： 7 3 6,OP M A,A,16 圖中，指令的第一字保持原來(lái)格式不變，形式地址A擴(kuò)展到第2個(gè)字。這樣，直接尋址時(shí)，EA=A=16+6=22位，正好可訪問(wèn)4M地址空間。由于A的擴(kuò)展，變址、基址、相對(duì)、立即數(shù)等尋址方式也擴(kuò)展到22位。,（8）如使一條轉(zhuǎn)移指令能轉(zhuǎn)移到主存的任一位置，可采用上述雙字長(zhǎng)一地址指

12、令，通過(guò)選用合適的尋址方式完成。（如選用直接尋址就可轉(zhuǎn)移到主存任一位置，但選用相對(duì)尋址則只能在2M范圍內(nèi)轉(zhuǎn)移。） 除此之外，（7）、（8）兩題也可通過(guò)段尋址方式達(dá)到擴(kuò)大尋址空間的目的（此時(shí)不需修改指令格式）?？傊?，不論采取何種方式，最終得到的實(shí)際地址應(yīng)是22位。,方案二： （7）如果仍采用單字長(zhǎng)指令（16位）格式，為使指令尋址范圍擴(kuò)大到4M，可通過(guò)段尋址方案實(shí)現(xiàn)。安排如下： 硬件設(shè)段寄存器DS（16位），用來(lái)存放段地址。在完成指令尋址方式所規(guī)定的尋址操作后，得有效地址EA（16位），再由硬件自動(dòng)完成段尋址，最后得22位物理地址。 物理地址=（DS） 26 + EA 注：段尋址方式由硬件隱含實(shí)現(xiàn)

13、。在編程指定的尋址過(guò)程完成、EA產(chǎn)生之后由硬件自動(dòng)完成，對(duì)用戶是透明的。,方案三： （7）在采用單字長(zhǎng)指令（16位）格式時(shí)，還可通過(guò)頁(yè)面尋址方案使指令尋址范圍擴(kuò)大到4M。安排如下： 硬件設(shè)頁(yè)面寄存器PR（16位），用來(lái)存放頁(yè)面地址。指令尋址方式中增設(shè)頁(yè)面尋址。當(dāng)需要使指令尋址范圍擴(kuò)大到4M時(shí)，編程選擇頁(yè)面尋址方式，則： EA =（PR）A（有效地址=頁(yè)面地址“拼接”6位形式地址） 這樣得到22位有效地址。,通過(guò)基址尋址與段尋址獲得實(shí)際地址的區(qū)別： 1）基址尋址的基地址一般比較長(zhǎng)（存儲(chǔ)器地址位數(shù)），位移量比較短（=形式地址位數(shù)），相加后得到的有效地址長(zhǎng)度=基地址長(zhǎng)度。此時(shí)主存不分段。 實(shí)際地址=

14、有效地址=基地址+位移量 段尋址是基址尋址的一種變種，當(dāng)基地址短于存儲(chǔ)地址時(shí)，基址尋址就變成了段尋址，基地址就叫做段地址，此時(shí)主存分段。 實(shí)際地址=段地址偏移量+段內(nèi)位移量（有效地址）,2）基址尋址一般在機(jī)器字長(zhǎng)存儲(chǔ)地址長(zhǎng)度的機(jī)器中，可直接通過(guò)尋址計(jì)算獲得實(shí)際地址。 在機(jī)器字長(zhǎng)存儲(chǔ)地址長(zhǎng)度的機(jī)器中，由于CPU內(nèi)部數(shù)據(jù)通路的限制，編程指定的任何一種尋址計(jì)算得到的有效地址長(zhǎng)度都等于機(jī)器字長(zhǎng)，為獲得更長(zhǎng)的地址字，硬件自動(dòng)通過(guò)段尋址計(jì)算出存儲(chǔ)器實(shí)際地址。此時(shí)除ALU之外，硬件還要增設(shè)專用的地址加法器。 相關(guān)問(wèn)題： * 一般：機(jī)器字長(zhǎng)=存儲(chǔ)字長(zhǎng)； * CPU中所有寄存器（包括基址寄存器）的位數(shù)=機(jī)器字長(zhǎng)

15、；,* 通常：指令字長(zhǎng)不一定等于機(jī)器字長(zhǎng)。早期的小型機(jī)由于字長(zhǎng)較短，指令常以機(jī)器字長(zhǎng)為單位變化（幾字長(zhǎng)指令，如PDP-11機(jī)），目前以字節(jié)長(zhǎng)為單位變化（幾字節(jié)指令）的較多。習(xí)題中指令字長(zhǎng)=機(jī)器字長(zhǎng)的假設(shè)只是為簡(jiǎn)單起見； * 當(dāng)設(shè)指令字長(zhǎng)=存儲(chǔ)字長(zhǎng)（=機(jī)器字長(zhǎng)）時(shí)，如用立即尋址，由于立即數(shù)由形式地址直接給出，而形式地址的位數(shù)肯定不足一個(gè)字長(zhǎng)，因此立即尋址非常適用于編程給出短常數(shù)的場(chǎng)合。 提示：尋址方式的正確選擇與編程技巧有關(guān)。,17. 舉例說(shuō)明哪幾種尋址方式在指令的執(zhí)行階段不訪問(wèn)存儲(chǔ)器？哪幾種尋址方式在指令的執(zhí)行階段只需訪問(wèn)一次存儲(chǔ)器？完成什么樣的指令，包括取指令在內(nèi)共訪問(wèn)存儲(chǔ)器4次？ 解：舉例

16、如下： 1）一地址指令在執(zhí)行階段不訪存的尋址方式有：寄存器尋址、立即尋址。 2）一地址指令在執(zhí)行階段只訪存一次的尋址方式有：寄存器間接尋址、直接尋址、基址尋址、變址尋址、相對(duì)尋址、頁(yè)面尋址。,3）包括取指在內(nèi)共訪存四次的指令有：二重間址的一地址指令；一重間址的二地址指令，當(dāng)另一操作數(shù)采用直接、基址、變址、相對(duì)、頁(yè)面、寄存器間接尋址時(shí)。,19. CPU內(nèi)有32個(gè)32位的通用寄存器，設(shè)計(jì)一種能容納64種操作的指令系統(tǒng)。假設(shè)指令字長(zhǎng)等于機(jī)器字長(zhǎng)，試回答以下問(wèn)題。 （1）如果主存可直接或間接尋址，采用“寄存器存儲(chǔ)器”型指令，能直接尋址的最大存儲(chǔ)空間是多少？畫出指令格式并說(shuō)明各字段的含義。 （2）在滿足（1）的前提下，如果采用通用寄存器作基址寄存器，則上述“寄存器存儲(chǔ)器”型指令的指令格式有何特點(diǎn)？畫出指令格式并指出這類指令可訪問(wèn)多大的存儲(chǔ)空間？,解： （1）如采用RS型指令，則此指令一定是二地址以上的地址格式，指令